Πυκνωτές

Κεφάλαια

1. Ορισμός του πυκνωτή - μονάδες χωρητικότητας.
2. Κατασκευή πυκνωτή.
3. Συμπεριφορά πυκνωτή σε συνεχές και εναλλασσόμενο ρεύμα.

1. Ορισμός του πυκνωτή - μονάδες χωρητικότητας

Πυκνωτής ονομάζεται η διάταξη εκείνη που αποτελείται από δύο αγώγιμες πλάκες οι οποίες χωρίζονται μεταξύ τους από κάποιο μονωτικό υλικό. Οι αγώγιμες πλάκες ονομάζονται οπλισμοί και το μονωτικό υλικό ονομάζεται διηλεκτρικό. Ο πυκνωτής έχει την ιδιότητα να συγκρατεί στους οπλισμούς του ηλεκτρικό φορτίο, όταν εφαρμοστεί μια τάση στα άκρα του. Η ποσότητα του φορτίου που μπορεί να συγκρατήσει ο πυκνωτής εξαρτάται από την επιφάνεια των οπλισμών του και την απόσταση μεταξύ των οπλισμών.

όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια των οπλισμών και όσο μικρότερη η απόσταση των οπλισμών μεταξύ τους, τόσο μεγαλύτερο φορτίο μπορεί να συγκρατήσει. Το είδος του διηλεκτρικού υλικού παίζει πολύ μεγάλο ρόλο στην συγκράτηση του φορτίου που εκφράζεται με τον όρο χωρητικότητα. ’ρα λοιπόν η ικανότητα ενός πυκνωτή να αποθηκεύει ενέργεια ονομάζεται χωρητικότητα.

Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή συμβολίζεται με το γράμμα C και μονάδα μέτρησής της είναι το Farad. Επειδή το Farad (F), είναι μεγάλη χωρητικότητα στους πυκνωτές χρησιμοποιούνται υποδιαιρέσεις του Farad όπως βλέπουμε παρακάτω:

1F=1000mF, 1mF=1000μF, 1μF=1000nF, 1nF=1000pF. Για να είναι ποιο εύκολα κατανοητές οι μονάδες φανταστείτε μια σκάλα, με κορυφή την μέγιστη μονάδα χωρητικότητας και τελευταία την μικρότερη, όπως βλέπουμε κατά σειρά παρακάτω: F>mF>μF>nF>pF.

Κάθε σκάλα που κατεβαίνουμε προς τα κάτω πολλαπλασιάζουμε Χ1000, ενώ όταν ανεβαίνουμε από κάτω προς τα πάνω διαιρούμε :1000. Έτσι για παράδειγμα ένας πυκνωτής που είναι 470nF είναι ίσος με 0,47μF, ή ένας πυκνωτής που είναι 2,2nF είναι ίσος με 2200pF.

2. Κατασκευή πυκνωτή

Όπως αναφέραμε παραπάνω τα υλικά για την κατασκευή ενός πυκνωτή, καθώς και τον τρόπο κατασκευής του καθορίζουν την χωρητικότητά του. Συνήθως ως οπλισμοί ενός πυκνωτή χρη-σιμοποιούνται μέταλλα από ορείχαλκο, επικαδμιωμένο σίδηρο ή αλουμίνιο. Για την κατασκευή του διηλεκτρικού σε έναν πυκνωτή, χρησιμοποιούνται μη αγώγιμα υλικά όπως χαρτί, λάδι, γυαλί, αέρας, ταντάλιο, πολυπροπυλαίνιο, μίκα και πολλά άλλα υλικά. Το στοιχείο που χρησιμοποιεί ο πυκνωτής ως διηλεκτρικό, τον κατατάσσει σε διάφορες ονομασίες, (πυκνωτές πολυπροπυλαινίου, πυκνωτές τανταλίου, κτλ), όπου παρουσιάζουν κάποια ιδιαίτερα χαρακτη-ριστικά και γι' αυτό χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα με ειδικές εφαρμογές.

Αν έχουμε έναν πυκνωτή με επίπεδους παράλληλους οπλισμούς, η χωρητικότητά του θα δίνεται από την σχέση:

C=0,0885 [(K(s/d)], όπου Κ είναι η διηλεκτρική σταθερά του υλικού, s η επιφάνεια του υλικού σε cm² και d το πάχος του μονωτικού υλικού σε mm.

Αν οι οπλισμοί του πυκνωτή είναι ημικυκλικοί, τότε η χωρητικότητά του θα δίνεται από την σχέση:

C=0,0885 {K[(r1²-r2²)/d]}, όπου Κ η διηλεκτρική σταθερά του μονωτικού υλικού, d το πάχος του μονωτικού υλικού σε mm και r1, r2 οι ακτίνες των ημικυκλικών οπλισμών του πυκνωτή.

Σε περίπτωση που ο πυκνωτής χρησιμοποιεί ομοαξονικούς παράλληλους κυλίνδρους τότε η χωρητικότητά του θα δίνεται από την σχέση:

C=0,242 K l / log(r1/r2), όπου l το μήκος των κυλίνδρων σε cm.

3. Συμπεριφορά πυκνωτή σε συνεχές και εναλλασόμενο ρεύμα.

Ο πυκνωτής σε ένα κύκλωμα συνεχούς ρεύματος δημιουργεί διακοπή ρεύματος στο κύκλωμα, με εξαίρεση το αρχικό χρονικό διάστημα της φόρτισής του. Σε κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος ο πυκνωτής φορτίζεται και εκφορτίζεται ανάλογα με την κατεύθυνση του ρεύματος και προβάλει μια αντίσταση που ονομάζεται χωρητική αντίσταση Xc. Η χωρητική αντίσταση Xc εξαρτάται από την χωρητικότητα του πυκνωτή και την συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος και δίνεται από την σχέση:

Xc=1/2πFC, όπου π=3,14, F η συχνότητα του ρεύματος σε Hz, και C η χωρητικότητα του πυκνωτή σε Farad.

4. Χαρακτηριστικά μεγέθη πυκνωτών

α) Ονομαστική χωρητικότητα. Είναι η χωρητικότητα για την οποία έχει υπολογιστή και κατασκευαστεί ένας πυκνωτής σε συγκεκριμένη περιοχή θερμοκρασιών και συχνοτήτων λειτουργίας. Οι τιμές της χωρητικότητας είναι τυποποιημένες και για ενδιάμεσες τιμές γίνεται υπολογισμός με συνδεσμολογία.

β) Ανοχή χωρητικότητας. Η τιμή της ονομαστικής χωρητικότητας είναι η ιδανική τιμή για την οποία έχει κατασκευαστεί ο πυκνωτής. Στην πράξη όμως υπάρχει μια πολύ μικρή ολίσθηση της ονομαστικής τιμής, είτε προς τα πάνω, είτε προς τα κάτω που εκφράζεται ως ανοχή της τιμής του πυκνωτή. Συνήθως οι ανοχές στους πυκνωτές κυμαίνονται από ±0.5% και ±1% (πυκνωτές ακριβείας), ±2%, ±5%, ±10% έως και ±20%.

γ) Τάση λειτουργίας. Είναι η μέγιστη τάση την οποία δίνει ο κατασκευαστής για την σωστή λειτουργία του πυκνωτή, η οποία αναγράφεται στο κέλυφος του πυκνωτή μαζί με την ονομαστική χωρητικότητα και μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας. Η εφαρμογή πολύ μεγαλύτερης τάσης στα άκρα του από την μέγιστη που δίνει ο κατασκευαστής προκαλεί θέρμανση και καταστροφή του διηλεκτρικού του πυκνωτή.

δ) Τάση δοκιμής. Είναι μια συνεχή τάση λίγο μεγαλύτερη από την μέγιστη που δίνει ο κατασκευαστής η οποία εφαρμόζεται για ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα (1 λεπτό περίπου) για να δοκιμαστεί η αντοχή του διηλεκτρικού υλικού στο εργοστάσιο κατασκευής του.

ε) Συχνότητα αναφοράς. Η ονομαστική χωρητικότητα του πυκνωτή δίνεται για ένα ορισμένο φάσμα συχνοτήτων, διότι σε πολύ υψηλές συχνότητες ένας πυκνωτής μπορεί να παρουσιάζει μεγάλη απόκλιση της ονομαστικής χωρητικότητάς του.

στ) Αντίσταση μόνωσης. Η αντίσταση μόνωσης είναι η αντίσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων του πυκνωτή καθώς και η αντίσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων και του περιβλήματος του πυκνωτή.

5. Είδη πυκνωτών

Τους πυκνωτές του χωρίζουμε σε δύο κατηγορίες στους διηλεκτρικούς πυκνωτές και τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές.

Η αρχή λειτουργίας είναι η ίδια και στις δύο κατηγορίες πυκνωτών, όμως διαφέρουν στην κατασκευή τους και στον τρόπο χρήσης τους.

6- Πυκνωτές σταθερής χωρητικότητος

1. Πυκνωτές χαρτιού. Οι πυκνωτές αυτοί ονομάζονται έτσι διότι έχουν σαν υλικό διηλεκτρικού το χαρτί. Το χαρτί αυτό είναι ειδικά κατεργασμένο και εμποτίζεται σε μονωτικό λάδι, κερί ή παραφίνη για να προστατεύεται από την υγρασία. Στην  κατασκευή του πυκνωτή χαρτιού, το χαρτί περιελίσετε από μηχανές σε κυλινδρική μορφή και το τελικό σχήμα του πυκνωτή ολοκληρώνεται με την στεγανοποίησή του που τον προφυλάσει από την υγρασία, καθώς και την έξοδο του εμποτισμένου υγρού από το χαρτί. Η χωρητικότητά τους κυμαίνεται από 1nF έως 200μF περίπου. Κατασκευά-ζονται σε μεγάλες τάσεις συνεχούς λειτουργίας από 50V έως της τάξεως των KV.

2. Πυκνωτές πλαστικής ταινίας. Οι πυκνωτές πλαστικής ταινίας κατασκευάζονται με το διηλεκτρικό τους να αποτελείται από διάφορα πλαστικά υλικά όπως ο πολυεστέρας, το ποληστηρένιο, το πολυπροπυλένιο και το τεφλόν. Έτσι στο εμπόριο υπάρχουν πυκνωτές πολυπροπυλενίου, πολυεστερικός πυκνωτής, κ.ο.κ.

Η κατασκευή τους είναι η ίδια περίπου με τους πυκνωτές χαρτιού αφού γίνεται περιέλιξη της πλαστικής ταινίας και στην συνέχεια θερμαίνονται για να γίνει σύσφιξη των ακροδεκτών του πυκνωτή. Οι πυκνωτές πλαστικής ταινίας καλύπτουν ένα μεγάλο φάσμα χωρητικοτήτων και τάσεων.

MARC-REVIEW